給排水科學與工程專業(yè)“水處理微生物學”教學改革與探索

曾濤濤 張曉玲 胡青 王國華 周玉林

摘? 要：“水處理微生物學”是給排水科學與工程專業(yè)三大學科基礎課程之一，為其他專業(yè)課程提供微生物學基礎。為了讓該課程更好地發(fā)揮學科基礎課作用，作者分析了學生基礎，在教學內(nèi)容方面構建“強理論、重實踐”的課程體系，以專業(yè)認證要求為指導，緊扣行業(yè)發(fā)展趨勢。在教學方式上，采用啟發(fā)式教學、研討式教學與“學習通”網(wǎng)絡教學法等措施進行教學改革與探索。改革效果顯示，學生創(chuàng)新能力提高顯著，參與大學生創(chuàng)新計劃、發(fā)表學術期刊論文或獲授權專利的學生均表示從課程改革中受益;實驗操作能力提高顯著，絕大部分學生對課程非常滿意。該課程改革與探索為提高學生學習興趣與創(chuàng)新能力起到了良好促進作用。

關鍵詞：水處理微生物學? 給排水科學與工程? 專業(yè)認證? 創(chuàng)新能力? 研討式教學

中圖分類號：G64 ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2020）07（a）-0193-05

Abstract： "Microbiology of Water Treatment" is one of the three basic courses in the major of Water Science and Engineering， which provides microbiological basis for other specialized courses. In order to make better use of this basic course， the author analyzes the students basics knowledge and provides a "strong theory and practice-oriented" curriculum system in terms of teaching content， which is also guided by professional programmatic accreditation requirements and keeps pace with industry development trends. The author has carried on teaching reformation and exploration in terms of teaching methods， such as heuristic teaching， seminar-style teaching and online teaching by using of "Learning through" software. According to the effect of reformation， the majority of students participating in undergraduate innovation programs， publishing academic journal articles or granting patents have expressed a direct benefit from the curriculum reform. Most students are very satisfied with the course， as well as their experimental operation ability has been significantly improved. Teaching reformation and exploration of the course have promoted students learning interesting and innovation ability.

Key Words： Microbiology of Water Treatment; Water Science and Engineering; Professional Programmatic Accreditation; Innovation ability; Seminar-style teaching

水處理微生物學是給排水科學與工程專業(yè)的學科基礎課之一。本課程包括四部分內(nèi)容：微生物學基礎、污染物的生物分解與轉化、水質(zhì)安全與生物監(jiān)測、微生物學的研究方法[1]。學生通過“水處理微生物學”理論學習和實驗學習，掌握水處理微生物學的基本概念、基本理論及其在水處理中的應用，并掌握微生物學的研究方法和基本實驗操作技能，培養(yǎng)理論分析、創(chuàng)新思維與解決實際問題的能力，為后面各門專業(yè)課的學習奠定必要的微生物學基礎。學生通過課程理論教學，熟悉細菌、病毒、真核微生物等水處理中的常見微生物特征，能夠熟練解釋水體污染控制及處理過程中微生物的作用;學生通過實踐教學，理解污染物降解與轉化過程中的微生物機理，掌握典型有機物降解途徑與無機元素的生物轉化過程，用于污水生物處理過程的優(yōu)化、調(diào)控;學生通過實驗教學，正確掌握微生物培養(yǎng)、分離等基本操作及相關水質(zhì)安全生物監(jiān)測的技能。

微生物的種類繁多，涉及面較廣，作者結合多年教學經(jīng)驗，發(fā)現(xiàn)學生不善于總結思考，特別是針對水處理微生物學這種文字較多的課程，傳統(tǒng)的教學方法容易讓學生被動學習，學完之后感覺知識點零散、抽象，無法切身體會該課程與其他課程的聯(lián)系以及其在水處理實際應用方面的作用，從而導致學生學習積極性不高，學習效率低。在一個生物技術日益發(fā)展的時代，為了讓學生深入掌握微生物學基礎知識及其在水處理過程中的作用機理，為后續(xù)“水質(zhì)工程學”、“工業(yè)用水與廢水處理”等專業(yè)課程提供飲用水處理、水污染控制應具備的微生物理論基礎知識，培養(yǎng)學生學習興趣與提高創(chuàng)新能力，均需要不斷進行教學改革與探索，以達到知識融會貫通的目的，確保學生能夠及時掌握微生物學理論知識、最新發(fā)展趨勢及該課程與其他課程的聯(lián)系。為此，我們進行了五年教學改革與探索，以期為本專業(yè)人才培養(yǎng)提供更好的微生物學基礎。

1? 教學內(nèi)容改革

1.1 基于學生生物學基礎，構建“強理論、重實踐”的課程體系

我校給排水科學與工程專業(yè)水處理微生物學課程于三年級上學期設置，這些學生在大學一、二年級進行了工程化學、水分析化學、水分析化學實驗這一系列較為完整的化學基礎理論學習和簡單的實驗技能學習，但沒有涉及生物學。經(jīng)過問卷調(diào)查發(fā)現(xiàn)，給排水科學與工程專業(yè)學生的微生物基礎大多數(shù)來自于初高中的學習，一些學生高考時生物所占比例不多，而且對生物實驗也沒有考核要求，這就導致了學生之間的生物基礎知識參差不齊。

根據(jù)教師的教學經(jīng)驗以及與學生交流，發(fā)現(xiàn)有生物基礎的同學比那些沒有生物基礎的同學接受能力好，但最終期末考核時，兩者之間相差不大。這種現(xiàn)象表明，可能有基礎的同學在課前做好預習、課中積極討論、課后復習這三個環(huán)節(jié)中某一個或幾個環(huán)節(jié)做得不夠好。因此，作者提出構建“強理論、重實際”的課程體系，在課程教學部分提醒學生，水處理微生物學的學習側重點不同于初高中生物課，學習目的和理解過程也不一樣，強調(diào)理論知識學習的重要性，留下適當?shù)恼n后作業(yè)，讓學生做到溫故知新。由于大學本科階段的學習注重實踐運用，要求學生通過實際工程理解微生物在水處理過程中的作用機理，啟發(fā)學生自主學習，并將各課程知識進行融會貫通。

1.2 以專業(yè)認證要求為指導，緊扣行業(yè)發(fā)展趨勢

以專業(yè)認證要求為指導，選擇教育部給排水科學與工程專業(yè)指導委員會規(guī)劃推薦教材，即顧夏聲、胡洪營等主編的《水處理生物學》（第六版），該書內(nèi)容知識點涉及面廣、權威性高，收集了許多相關研究的最新進展，也是住建部土建類學科專業(yè)“十三五”規(guī)范教材，不僅適用于給排水科學與工程專業(yè)和環(huán)境工程專業(yè)大學生，而且可用于相關領域的科研工作者、技術人員和研究生作為參考書目。

教學內(nèi)容上，嚴格按照專業(yè)認證要求，理論教學方面要求學生掌握三部分內(nèi)容，包括：（1）熟悉細菌、病毒、真核微生物等水處理中的常見微生物特征，能夠熟練解釋水體污染控制及處理過程中微生物的作用;（2）掌握污染物降解與轉化過程中的微生物機理，掌握典型有機物降解途徑與無機元素的生物轉化過程，用于污水生物處理過程的優(yōu)化、調(diào)控;（3）掌握典型廢水生物處理方法及其原理，針對飲用水、污水生物處理過程，提供合適的比選方案、工藝與裝置。這三部分分別對應專業(yè)認證十二個畢業(yè)要求中的“工程知識”、“問題分析”與“研究”，具體每章與行業(yè)或者實際應用相關的內(nèi)容見表1。

《水處理生物學》（第六版）現(xiàn)有的框架結構比較靈活，覆蓋面也很廣。作者在相關章節(jié)緊扣行業(yè)發(fā)展趨勢與水處理技術進展，介紹微生物相關內(nèi)容在水處理領域應用情況。例如在生物脫氮過程中，增加短程硝化、厭氧氨氧化等最新脫氮技術介紹，并與傳統(tǒng)工藝進行比較，結合學生實習見聞，促進學生對相關內(nèi)容的理解與掌握。布置作業(yè)與思考題，讓學生查找水處理生物技術研究進展，激發(fā)學生求知欲和開闊視野，也為后續(xù)“水質(zhì)工程學”、“工業(yè)用水與廢水處理”等專業(yè)課程學習奠定堅實的微生物學基礎。

在“水處理微生物學”課程教學中，實驗教學及技能傳授同理論知識一樣重要，根據(jù)專業(yè)認證要求，實驗項目包括驗證性實驗、綜合性實驗與設計性實驗，結合給排水科學與工程專業(yè)規(guī)范要求，實驗教學內(nèi)容見表2，總計16學時。

實驗課與理論教學相輔相成，在培養(yǎng)學生實踐創(chuàng)新能力方面發(fā)揮了重要作用[3]。為了加強學生對實驗內(nèi)容的熟悉，更好地進行實驗操作，在課前向?qū)W生發(fā)布相關實驗操作步驟，要求學生提交預習報告。

2? 教學方式的改革

教學方法和手段的改革一直以來都是教學改革過程中備受矚目的內(nèi)容，如漸進研究式、互動討論式、案例分析式、發(fā)問啟發(fā)式、課堂辯論、導師制、五步教學、翻轉課堂[2]及現(xiàn)代化教學手段（學習通、雨課堂、微課）的應用等。在教學過程中作者根據(jù)具體的教學內(nèi)容多種教學方式配合使用，對于基礎知識采用以教師講授為主，配合采用啟發(fā)式教學;研討式教學主要應用在交叉知識部分;所有課件均上傳到“學習通”，供學生課前、課后學習。

水處理微生物學理論部分與實驗部分各自獨立考核，各自均采用百分制。理論部分成績評定由平時成績和期末考試成績兩部分組成，其中期末考試為閉卷考試，成績占70%;平時成績占30%。通過課堂表現(xiàn)、研討課完成效果及課后作業(yè)等環(huán)節(jié)形成平時成績，這些環(huán)節(jié)中，課堂表現(xiàn)占平時成績的20%，研討環(huán)節(jié)占平時成績的60%，課后作業(yè)占平時成績的20%。

2.1 啟發(fā)式教學

根據(jù)教師多年教學經(jīng)驗，地方高校許多大學生缺乏自覺學習的習慣，即使要求他們在上課之前做好預習，能認真完成的也少。單純根據(jù)教學大綱內(nèi)容授課，學生學習熱情不高，但如果以問題作為切入點，可以啟發(fā)學生提前思考;課堂上針對這些問題，重點講解解決問題的思路并與學生自己的思考進行比較，將能有效提高學生積極性，充分發(fā)揮主動性。如在第四章講解之前，先提出問題：（1）真核微生物與原核微生物區(qū)別有哪些？（2）原生動物與后生動物在污水處理中的指示作用？（3）藻類在水處理工程中的作用？課堂授課時，多提問題，啟發(fā)學生思考，將預習時的問題解決。學生帶著問題預習、進課堂，跟著老師思路，找到解決問題的方法，經(jīng)過這個過程訓練，就會將課程重點、難點理解與掌握，培養(yǎng)了學生主動思考、分析問題與解決問題的能力。

2.2 研討教學法

作為專業(yè)基礎課程，有些內(nèi)容會和其他專業(yè)課程有聯(lián)系，在教案設計時，會注意到某一章節(jié)將涉及另一課程的內(nèi)容，教材上所能介紹的內(nèi)容并不詳細，這時就需要學生自己去查閱參考書目和有關文獻。選用部分教學內(nèi)容，讓學生以5～10minPPT或讀書報告的方式在課堂上講解，大家再進行討論交流，對于分歧較大或者學生一時無法理解的問題，老師會進行點評或者指導學生如何查閱資料，提供解決問題的一些思路，但需要學生主動去思考，并分析、總結，才能最終找到問題的答案。這種教學形式既增長學生知識，開闊視野，又讓學生養(yǎng)成主動思考的習慣。教案設計時，一些與其他課程交叉內(nèi)容進行課堂研討。

2.2.1 涉及“水質(zhì)工程學”的研討內(nèi)容

“水質(zhì)工程學”是本專業(yè)的核心專業(yè)課程，基本工藝流程較多涉及微生物作用，特別是脫氮除磷過程。例如在第十章“微生物對污染物的分解與轉化”教學之前，讓學生查閱資料，討論硝化、反硝化細菌如何進行生物脫氮，聚磷菌的除磷機理，短程硝化、厭氧氨氧化等脫氮新技術，讓學生選取感興趣的內(nèi)容，進行課堂研討。

2.2.2 涉及“工業(yè)用水與廢水處理”的研討內(nèi)容

“工業(yè)用水與廢水處理”也是專業(yè)課程，培養(yǎng)學生具有解決工業(yè)用水及廢水處理的能力，掌握工業(yè)給水及廢水處理工藝流程設計和計算的基本知識。在工業(yè)廢水生物處理時，需要用到厭氧微生物，其中就有古菌，如產(chǎn)甲烷菌。在介紹第三章古菌之前，讓學生選取“古菌的基本特征、形態(tài)結構、生存環(huán)境或產(chǎn)甲烷菌在污水厭氧處理中的作用與機理”等內(nèi)容，進行課堂研討。

2.2.3 涉及“給排水科學與工程專業(yè)英語”的研討內(nèi)容

在水處理微生物學教材中，許多專業(yè)名詞有相應的英文，這為專業(yè)英語的學習提供了很好的素材，而專業(yè)英語也需要和具體專業(yè)知識內(nèi)容聯(lián)系起來，才能有更好的教學效果。因此，一些教師嘗試對本門課程采用雙語課程模式[4]。在地方高校教學中，完全的雙語教學效果有待提升。作者嘗試在部分內(nèi)容上，以研討課的形式，圍繞Activated sludge processes，Water and wastewater treatment methods等主題，讓學生查閱相關英文資料，并進行讀書報告，受到學生廣泛歡迎。

2.2.4 涉及“水處理新技術”的研討內(nèi)容

本專業(yè)注重前沿理論與工程實踐相結合，“水處理新技術”課程主要讓學生熟悉水處理新理論、新技術和新工藝，主要介紹污水生物脫氮技術、生物除磷技術、厭氧生物處理新技術等。為了更好地為水處理新技術課程提供微生物學基礎，讓學生結合之前實習過程，討論A2O工藝中厭氧段、缺氧段、好氧段分別是哪些微生物在發(fā)揮作用，如何實現(xiàn)去除有機物、脫氮除磷的效果。學生可以結合污水廠實習經(jīng)歷，理論聯(lián)系實踐，有效提升教學效果。

2.3 利用“學習通”網(wǎng)絡平臺教學

為了更好地促進水處理微生物學教學，所有課件均上傳至“學習通”網(wǎng)絡教學平臺，隨著智能手機的普及，便攜化的網(wǎng)絡教學平臺為學生移動學習提供了便利，也方便師生溝通交流。此外，作者不斷完善和改進“學習通”網(wǎng)絡教學平臺內(nèi)容，不斷完善與課程相關的知識，豐富學生線上學習資源。

3? 本課程綜合教學改革實施效果

為了評價課程改革效果，了解學生的感受與想法，對近五屆學生進行網(wǎng)絡問卷調(diào)查，各年級設置30份問卷調(diào)查。調(diào)查結果顯示，本課程綜合性教學改革有助于學生對水處理微生物學理論知識的理解，提高了學習積極性，增強了創(chuàng)新意識，為本專業(yè)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)提供有力支撐。經(jīng)過五屆教學改革實踐，取得了良好的實施效果。

（1）學生創(chuàng)新能力提高顯著。近3年本專業(yè)本科生發(fā)表國內(nèi)外學術期刊論文22篇，指導學生獲授權專利23項，大學生研究性學習和創(chuàng)新性實驗計劃項目14項，平均為5～8項/年;而3年前這些體現(xiàn)創(chuàng)新能力的論文、專利、項目平均只有2～3項/年。其中作者指導學生于2018年發(fā)表論文《生活污水處理廠微生物群落結構解析》及2016年發(fā)表論文《基于短程硝化工藝的垃圾滲濾液脫氮處理研究進展》，這些成績的取得，都源自于師生課堂研討。任課老師發(fā)現(xiàn)，學生可以充分利用水處理微生物課知識，應用于大學生科技創(chuàng)新比賽等科研活動中，或者參與專業(yè)教師的相關課題?！坝糜诤檹U水處理的微生物燃料電池”“用于酸性含鈾廢水處理的升流式厭氧生物濾池”“基于生物硫鐵的鈾污染地下水處理滲透反應墻”這三項實用新型專利，學生充分應用微生物學知識，與其他課程知識結合，申請的專利獲得授權，反映學生創(chuàng)新能力得到提高。

（2）學生對該課程滿意度高。問卷調(diào)查發(fā)現(xiàn)98.4%的學生認同本課程的教學模式，99.2%的學生認為取得了實在的效果，97.6%的學生認為該門課程為其他專業(yè)課程提供了較好的微生物學基礎，99.2%的學生認為該門課程教學改革為創(chuàng)新課題提供了幫助，95.2%的學生認同該門課程為研究生學習或工作提供了幫助，學生滿意度從2013級的82.4%提高到2017級的98.4%。由此可見，水處理微生物學教學改革，讓專業(yè)知識更加體系化，受到學生的廣泛接受與認同。

參考文獻

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